† 책임저자 : 한국철도기술연구원, 철도환경연구실, 연구원 E-mail : [email protected]
TEL : (031)460-5856 FAX : (031)460-5279
* 정회원, 한국철도기술연구원, 철도환경연구실, 선임연구원
** 정회원, 한국철도기술연구원, 철도환경연구실, 선임연구원
*** 정회원, 한국철도기술연구원, 도시철도표준화 연구단, 선임연구원
FDS 및 FLUENT 를 이용한 대구지하역사 화재유동 해석비교
The Comparative Analysis of Fire-Driven Flow Simulation for Dae-gu Subway Station Using FDS and Fluent .
장용준 * ⦁ 이창현
†⦁ 김학범 ** ⦁ 김진호 ***
Jang, Yong-Jun ⦁ Lee, Chang-Hyun ⦁ Kim, Hag-Beom ⦁ Kim, Jin-Ho
--- ABSTRACT
The comparative analysis of fire-driven flow simulation for Dae-Gu subway station was performed using FDS and Fluent. The boundary condition was obtained from analyzed data for Dae-Gu subway fire accident which had been outbreaked in 2003 year. The smoke flow in the second and third basement has been analyzed. The CO and temperature distribution in the train units and station platform have been obtained with FDS and FLUENT and compared with each other. Total simulation time is 600s and the results are compared of each 10sec
The analyzed data will be applied to the passenger evacuation simulation for Dae-Gu subway station and used to optimal design method.
--- 국문요약
본 연구는 대구지하철 중앙로 역사 화재사고를 모델로 하여 FDS 와 FLUENT 를 이용해 화재유동 분석 을 하였다 . 경계조건으로는 그동안 조사된 대구지하철화재사고의 분석 자료를 이용하였다 . 화재해석은
지하승강장 포함 하여 지상 대합실 까지 총 3 개의 층을 FLUENT 및 FDS 를 이용하여 수행하였으며 , 해
석 결과는 화재 온도 분포와 CO 데이터를 비교분석 하였다 . 총 시뮬레이션 시간은 600s 이며 10s 마다
의 결과값을 비교하였다 . 이러한 분석결과는 향후 피난시뮬레이션과의 연계를 통해 지하역사 최적설계 기법연구에 기초자료가 될 것으로 생각되어진다 .
1. 서 론
지하역사의 경우 그 특수한 조건으로 인하여 화재대책을 위한 방안들이 여타 다른 건축물과는 다른 형태를 띠게 된 다 . 따라서 적절한 화재대책 마련이 필요하다 . 하지만 , 지하역사 자체가 방대하고 복잡한 환경과 특수한 환경에 놓여져 있기 때문에 사전실험으로 인한 대책마련은 어렵거나 불가능하게 생각되어지고 있는 것이 현실이다 .
이러한 상황을 극복하기 위한 방안으로 컴퓨터를 이용한 화재해석기법이 연구되고 발전 되어지고 있다 . 또한 컴퓨터의 발달로 인하여 과거보다 정확하고 빠른 결과를 볼 수 있고 , 비용적인 측면에서도 경제적인 장점이 있으므로 커다란 관 심을 받고 있다 . 하지만 , 아직까지는 실제 실험에 비하여 신뢰성이 부족한 것이 사실이고 많은 화재해석 시뮬레이터 중에 어떠한 것을 선택하느냐에 따라서 혹은 해석자의 능력에 따라서 상이한 결과를 얻을 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 더욱 더 필요하다 .
그림 1. 3d-CAD 도면 그림 2. 전동차 3d -cad도면
그림 3. FDS 모델링 그림 4. FLUENT 모델링
본 연구에서는 많은 화재해석시뮬레이터 중에서 NIST 의 FDS_Ver 5.0 과 FLUENT_Ver 6.2 를 이용하여 대구 중 앙로 역사를 모델로 화재해석을 수행하였다 . 또한 FDS 와 FLUENT 의 결과값을 비교하여 어떠한 화재유동의 차이를 보이는지 알아보았고 이러한 비교를 통하여 지하역사 최적설계를 위한 화재시뮬레이션 기법을 연구 하였다 .
2. 본 론
2.1 시뮬레이션 모델 경계조건 설정
화재해석공간은 그림 1. 에서 보는바와 같이 지하 3 층 승강장과 지하 2 층 대합실 그리고 지하 1 층 대합실을 모델로 시 뮬레이션을 수행하였다 . 그림 1. 에서 보이는 지하 1 층 대합실의 경우 중앙부의 비어있는 공간은 상가층으로 이동하는 공 간으로 화재시 방화셔터로 막히기 때문에 일반인 통제구역과 함께 그림 3. 과 그림 4. 에서 보는 바와 같이 시뮬레이션 모델에서 제외되었다 . 객차의 경우 그림 2. 에서 보는 바와 같이 연결면간 거리 18m, 차체길이 17.5m, 차체폭 2.75m 지붕높이 3.6m, 객실 상면 높이 1.115m 와 같이 총 12 개의 객차를 모델링 하였다 . 객차의 물성치는 표 1. 에서 보는 바 와 같다 . 각 층간 연결통로는 그림 1. 에서 보는 바와 같이 계단을 통한 연결통로 밖에 없다고 가정하였으며 , 승강장에 서 지하 2 층 을 연결하는 8 개의 계단과 지하 2 층 대합실에서 지하 1 층 대합실을 연결하는 5 개의 계단 , 그리고 지하 1 층 대합실에서 지상으로 연결되어지는 4 개의 출입구를 연결통로로 하여 그림 3. 과 그림 4. 에서 보는 바와 같이 각각 FDS 와 FLUENT 를 이용하여 화재 시뮬레이션을 수행하였다 . 전동차외에 역사전체에 대한 물성치는 표 1. 에서 보는 바와 같이 CONCRETE 라 가정하였다 .
전 동 차 지하 역사 벽 및 천청
Material FRP Emissivity 0.900
Specimen Thickness 2.0mm Density (kg/m3) 2100.0
Ignition Temperature 485.5 ℃ Specific Heat (kJ/kg/K) 0.88
Heat Release Rate per
Unit Area (Peak) 382.5 kW/m
2Conductivity (W/m/K) 1.0000
바닥재료 Thickness (m): 0.100
Material PVC Density (kg/m3): 2100.000
Specimen Thickness 3.0mm CONCRETE, Mass
fraction: 1.00
Ignition Temperature 454 ℃ Heat Release Rate per
Unit Area (Peak) 228.2 kW/m
2Material Polyurethane 의자재료 Foam Specimen Thickness 18.8mm
Ignition Temperature 416 ℃ Heat Release Rate per
Unit Area (Peak) 452.8 kW/m
2표 1. 전동차및 지하역사 물성치
그림 5. FDS Grid System 그림 6. Fluent Grid System 2.2 Simulation Grid System
본 연구에서 사용된 격자수는 FLUENT의 경우 육면체 격자와 사면체 격자를 혼합하여 약 264만개의 격자를 사용 하였다. FDS의 경우는 육면체의 격자로 약 720만개의 격자를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 한 개의 격자의 크기 는 약 0.2m이고 이는 McGrattan의 화재 크기에 따른 격자크기 설정에 따른 것이다. 그림 5, 그림 6. 은 각각 FDS 와 FLUENT의 플랫폼에서의 격자 분포를 나타낸 것이다. FDS의 경우 빠른 화재유동 해석을 위해 본 연구에서는 총 6개의 듀얼 CPU를 사용하여 38개의 Mesh로 나누어 병렬계산을 수행하였다.
2.3 화재시나리오
화재시나리오의 경우 화재시뮬레이션에서 가장 중요한 부분으로 어떤 시나리오를 설정하느냐에 따라 판이한 결과값
을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 총 2개의 화재시나리오를 설정하였으며, 이는 각각 FDS와 FLUENT의 입력값으로
그림 7. FLUNET의 화재전파 시나리오 그림 8. FDS의 화재전파 시나리오
그림 9. FLUENT 화재성장곡선
하행승강장 상행승강장 대곡방향
안심방향 S
E W
N
반월당 대구역
발화지점 (1호 객차후미) 하행승강장
상행승강장 대곡방향
안심방향 S
E W
N
반월당 대구역
발화지점 (1호 객차후미)
그림 10. 승객 출입구 개/패상태
사용되었다. 화재 전파속도는 그림 7, 8에서 보는 바와 같이 각 객차간 화재전파는 5분으로 설정하였고 상행선에서 하 행선으로의 전파는 FLUENT의 경우 11분으로 설정하였으며, FDS의 경우 대구지하철 화재사고 조사 자료를 참고하 여 6분으로 설정하였다. 화재시나리오 설정에 있어서 화재규모 또한 중요한 경계조건으로 작용하게 된다. 본연구에서는 FLUENT의 경우 그림 9. 에서 보는 바와 같이 Ultra-fast 화재성장 곡선을 이용하여 열차 한량당 27.25MW의 발열 량이 발생 한다 가정하고 시뮬레이션을 수행하였다. FDS의 경우 표1. 을 활용하여 최초 햅탄으로 발생되어진 화재가 객차내장재의 물성치에 따라 화재가 전파되는 시나리오로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이는 조금 더 실제와 같 은 상황에서의 화재해석을 위한 것으로 이를 FLUENT의 결과와 비교해 보았다. 이밖에 조건으로 환기시설이나 소방 시설 등은 고려하지 않았으며, 이는 문헌에 기록되어 있는바 화재당시 작동불능상태였기 때문에 이번 연구에서는 제외 하게 되었다. 시뮬레이션 결과Data는 Temperature와 CO를 중점으로 진행하였으며, 결과Data를 Zone 영역으로 나 누어서 출력하였다. 이는 FDS와 FLUENT의 경우 Field Model 화재해석Tool 이므로 Zone Model 결과를 얻어낼 필요는 없지만 향후 피난시뮬레이션에 쓰기 위하여 전 역사를 24개의 Zone으로 나누어 결과Data를 출력하였다. 결과 Data는 10sec마다 저장하여 출력하였으며, 총 900sec의 시간을 시뮬레이션 하였다. 이는 모의 피난시간계산 결과 피 난승객의 최종피난 시간이 약 10분으로 계산되었으므로 900sec의 시간을 설정하게 되었다.
전동차의 문의 개/패 상태나 창문의 개패 상태 또한 화재유동에 있어서 중요한 경계조건의 하나이다. 본 연구에서는 전동차 문의 개/패 상태는 그림 10. 에서 보는 바와 같이 화재조사 문헌에 기록되어 있는 것과 같이 경계조건을 설정 하였으며, 창문은 모두 깨어진 상태로 하였으며, 갱웨이는 모두 Open 되어져 있다고 가정하였다.
2.4 시뮬레이션 결과 및 고찰
본 연구는 FDS와 FLUENT를 이용한 대구지하철 중앙로역사 화재유동 해석을 수행하였으며, FDS와 FLUENT의
온도와 CO발생량 등을 비교하였다. 그림11. 과 그림 12. 는 화재발생후 300sec후의 지하승강장의 온도분포를 나타낸
것이다. 5분후 다른 객차로 화재가 전파되기 때문에 최초 화재발생으로 인한 화재영향만이 존재하는 300sec 까지의
결과를 승강장 바닥으로부터 1.5m 지점에서의 온도 및 CO를 비교 하였다. 이는 승객들의 평균키를 170cm라 가정하
고 사람의 호흡높이를 고려하여 선정한 높이이다. 우선 FLUENT의 경우 최고온도 약 670K의 온도를 보이며, 화재발
생 객차에서만 화재가 형성 되어져 있으며, 객차를 빠져나간 열기는 열 부력에 의하여 승강장 천정을 따라 유동하기
때문에 그림에는 나타나 있지 않았으며, 이 결과를 보면 화재발생객차를 재외한 나머지 부분은 화재발생후 300sec까지
그림 11. FLUENT 화재발생 300sec 온도분포(K)
Y Z
X
11731123 10731023 973923 873823 773723 673623 573523 473423 373323 273
그림 12. FDS 화재발생 300sec 온도분포(K)
그림 13. FLUENT 화재발생 300sec CO분포(mol/mol)
X Y Z
0.00024 0.00023 0.00022 0.00021 0.0002 0.00019 0.00018 0.00017 0.00016 0.00015 0.00014 0.00013 0.00012 0.00011 0.0001 9E-05 8E-05 7E-05 6E-05 5E-05 4E-05 3E-05 2E-05 1E-05
